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光收发模块的热设计研究

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光收发模块的热设计研究

引 言

       随着信息产业的全面普及以及由它带来的全球数据量的爆发性增长,全球数据中心建设如火如荼。同时,随着节能减排、绿色环保成为世界产业界的必由之路,数据中心的能耗降低也迫在眉睫。四通道小型可插拔(Quad Small Form-factor Pluggable Plus,QSFP+)光收发模块体积小,功耗低,可以支持客户高密度单板的需求,具备针对性的解决方案。它能够广泛应用于云计算、数据中心、企业网等应用领域,在高速大容量数据传输中承担重要的角色,拥有巨大的市场前景。

       现代电子技术的迅猛发展与热控制技术的不断进步有着密切的关系,热设计目前成为光电子组件、器件与模块设计的重要组成部分。早期出现的光收发模块如SFP+封装形式的热流密度一般不超过2W/in2,这类光模块一般不需要加装散热片进行散热,而随着光模块朝高速率、高集成度、微小型化方向发展,其热流密度不断增大,导致发热量增加和温度急剧上升。商业级光模块内激光器的壳温要求不得超过70℃,比光模块所在交换盘其他元器件温度要求低15℃,导致光模块对温度的要求极为苛刻,散热问题成为制约光收发模块技术发展的关键技术之一。

       针对光收发模块的热设计,有文献以XFP模块为例,模拟分析其在不同温度条件下的工作状态;其中也有文献提供了一种针对SFP光收发模块内部光发射次模块的热学建模方法;有文献研究了CFP模块级封装中的热场问题,对CFP模块内部的热场分布进行了热分析。

       本文以QSFP+光收发模块为研究对象,使用某商业仿真软件对QSFP+光收发模块的散热问题进行了数值模拟,研究了光收发模块壳体材料的导热系数、发热器件和散热片的相对位置以及模块外壳与散热器接触界面的接触热阻对QSFP+光收发模块的散热影响,可为光收发模块的设计提供参考与建议。

1 QSFP+光模块热设计建模

1.1 QSFP+光模块散热路径

       光模块传递的热量按照Fouries导热定律计算,热传导、对流换热和辐射换热是热传递的3种基本方式 。基于热设计的基础理论分析,QSFP+光模块工作时的热环境及传热路径如图1所示。

       QSFP+光模块插入面板后,内部产生的热量小部分由周围空气自然对流散热,大部分则以热传导的方式散热。热量由温度高的一端传递到温度低的一端,模块热量向上传递至封装外壳及散热器,再由散热器通过对流和辐射散出,向下传递至主板。

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图1 光模块工作热环境及传热路径

        于光模块封装外壳与散热片之间接触表面在微观上不平整,其中必然存在空气等介质,因而接触表面总存在一定的接触热阻。为提高模块整体散热效率,需尽可能减小光模块与散热片之间的热阻。

1.2  QSFP+光模块热模型

        QSFP+光模块包括TOSA 组件(Transmitter Optical Sub-assembly)、ROSA 组件( Receiver Optical Sub-assembly)以及驱动和控制IC,其封装结构如图2所示。

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图2 QSFP+光模块封装结构示意图

        QSFP+光模块的总功耗为5W,模块的总功率密度达到1.34W/cm2 。散热片材料采用铝合金,导热系数为200W/m.k。利用某商业仿真软件建立QSFP+光模块热模型,如图3所示。

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图3 QSFP+光模块热模型

       在该模型中,为QSFP+光模块外壳基板设置不同材料,对比研究不同导热系数材料对光模块温度场的影响。

       外壳导热材料具体分为4种类型,见表1。

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       考虑QSFP+光模块封装外壳与散热片接触面的接触热阻对温度场的影响,在封装壳体与散热片接触面设置接触热阻。

具体分为2种情形:

1. 接触热阻为Rc1 ,接触面表面粗糙度Ra为1.6μm,对散热片施加5N 的压力;

2. 接触热阻为Rc2 ,接触面表面粗糙度Ra为0.6μm,对散热片施加10N的压力。

为简化分析,上述2种情形均不考虑封装壳体和散热片的平面度对接触热阻的影响。

参照文献提供的计算方法,计算出上述2种情形下的接触热阻:

Rc1=3.2cm2.℃/W,

Rc2=1.05cm2.℃/W。

改变QSFP+光模块中发热组件和散热片基板的相对位置,研究不同布局对温度场的影响。具体分为4种情形,见图4。

其中:

图4(a)为初始布局,该条件下光模块功率密度为1.34W/cm2,功率密度等级为pd14;

图4(b)为保持散热片位置不变,缩短发热组件与散热片基板之间的距离;

图4(c)为保持发热组件位置不变,缩短散热片基板与发热组件之间的距离;

图4(d)为发热组件和散热片基板位置均不变,散热片与模块封装外壳接触面基板的长度增加5mm,该条件下光模块功率密度为1.14W/cm2,功率密度等级为pd12 。

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图4 发热组件和散热片基板的相对位置

2 仿真结果分析

       使用某商业仿真软件,针对不同壳体材料、接触热阻、器件布局,对建立的QSFP+光模块的热模型进行仿真分析,输出模块壳温数据,建立相关曲线。根据MSA协议规定,QSFP+光模块的散热性能重点关注模块壳温以及模块壳体和散热器之间的温差。图5为QSFP+光模块壳体导热系数、器件布局、接触热阻与模块最大壳温的关系。图5为QSFP+光模块壳体导热系数、器件布局、接触热阻与模块壳体和散热器之间温差的关系。

       由图5、图6可知,光模块散热的重要影响因素包括:

1. 壳体导热系数:

在相同散热条件下,提高壳体导热系数有利于降低模块壳温,同时有利于降低模块壳体和散热器之间的温差。

2. 器件布局:

缩短散热片基板与发热组件之间的距离,有利于降低模块壳温及模块壳体和散热器之间的温差。由图5和图6可知,提高壳体导热系数,有利于降低器件布局对模块散热的影响。

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3. 接触热阻。

       模块壳体与散热器之间的接触热阻是模块散热的重要影响因素。降低接触热阻有利于提高模块的散热性能,进而降低模块壳温及模块壳体与散热器之间的温差。由图5,图6可知,在相同散热条件下,接触热阻为Rc2时模块的壳温及模块与散热器之间的温差比接触热阻为Rc1时低2℃~3℃。

4. 散热器与模块壳体的接触面积。

由图6可知,通过增加散热器接触面长度,模块壳温及模块壳体与散热器之间的温差可以降低约1.5℃。

综合采用提高壳体导热系数、降低接触热阻以及增大模块壳体与散热片的接触面积的多种措施,最大可以改善模块壳温及模块壳体与散热器之间的温差约5℃,可以有效改善QSFP+光模块的散热。

3 结束语

       本文主要围绕与可靠性相关的散热问题对QSFP+光收发模块展开研究。在分析模块内热传导路径的基础上,通过建立QSFP+光模块的热模型,仿真得出不同材料、接触热阻以及发热器件布局对光模块温度场的影响。仿真结果表明,减小接触热阻、提高材料的导热系数、缩短发热器件与散热片之间的距离可以有效提高光模块的散热性能。

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